[发明专利]一种金属-石墨烯混合结构超表面及传感器与光开关

说明书

本发明公开了一种金属‑石墨烯混合结构超表面及传感器与光开关。所述金属‑石墨烯混合结构超表面由金属‑石墨烯混合结构单元在电介质衬底上周期性排列组成；每一个金属‑石墨烯混合结构单元包括金属刻蚀的铝切割线、金属刻蚀的对称分裂环和长带石墨烯纳米条；所述铝切割线和对称分裂环之间有间隔且共面设置，形成共面层，所述共面层位于最上层，电介质衬底位于最下层，长带石墨烯纳米条位于对称分裂环与电介质衬底之间；相邻金属‑石墨烯混合结构单元的长带石墨烯纳米条之间是连续的。基于该超表面形成的传感器和光开关具有较高的灵敏度，更快的响应时间以及光学参数可调节等特点同时耦合器件尺寸小，便于集成。

技术领域

本发明涉及基于金属-石墨烯混合结构超表面的光学器件领域，具体涉及一种金属-石墨烯混合结构超表面及传感器与光开关。

背景技术

表面等离子体(SPs)是光学驱动下局域在金属-电介质界面处自由电子的集体震荡。外界光子和表面等离子体之间的强耦合作用称为表面等离子体极化，这种耦合作用将产生表面等离子体共振(SPR)，并且对金属-电介质界面处介质环境的变化较为敏感，因此SPR技术常被运用于传感分析和光学开关等领域。

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，其零带隙能带结构以及高的载流子迁移率，使其具有宽光谱和高响应速率特点。由于石墨烯的电导率可以通过掺杂和门控电压方式改变其费米能级，进而达到调节局域等离子体共振(LSPR)目的。因此使得石墨烯基传感、光开关等器件具有广泛的应用前景。

基于金属-石墨烯混合结构超表面阵列传感器及光开关器件，实质上是金属刻蚀的铝切割线与对称分裂环形成的超表面阵列放置于半无限长硅-蓝宝石组合衬底上。连续的长带石墨烯纳米条阵列放置暗模式谐振器(对称分裂环)与衬底之间，担当调节分裂环LSPR作用。本设计主要通过改变超表面衬底环境折射率以及调节石墨烯纳米带端电压实现透射峰值调节，进而引申到石墨烯基传感器及光开关的设计。

发明内容

有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种金属-石墨烯混合结构超表面及传感器与光开关，具有较高的灵敏度，更快的响应时间，以及光学参数可调节等特点，同时耦合器件尺寸小，便于集成。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

本发明提供了一种金属-石墨烯混合结构超表面，所述金属-石墨烯混合结构超表面由金属-石墨烯混合结构单元在电介质衬底上周期性排列组成；每一个金属-石墨烯混合结构单元包括金属刻蚀的铝切割线、金属刻蚀的对称分裂环和长带石墨烯纳米条；所述铝切割线和对称分裂环之间有间隔且共面设置，形成共面层，所述共面层位于最上层，电介质衬底位于最下层，长带石墨烯纳米条位于对称分裂环与电介质衬底之间；相邻金属-石墨烯混合结构单元的长带石墨烯纳米条之间是连续的。

优选地，所述铝切割线在横向x轴方向的分布周期为119.8～120.2μm；所述对称分裂环在横向x轴方向和纵向y轴方向的分布周期为119.8～120.2μm×79.8～80.2μm。

优选地，共面层的厚度为0.15～0.25μm。

优选地，铝切割线的长度为79.8～80.2μm，宽度为4.8～5.2μm。

优选地，所述对称分裂环上开设有2个纵向对称设置的开口，对称分裂环的内半径为17.8～18.2μm，外半径为22.8～23.2μm，开口宽度为4.8～5.2μm。

优选地，铝切割线与对称分裂环间隔的距离为2.8～3.2μm。

优选地，所述电介质衬底为半无限长硅-蓝宝石组合衬底，所述半无限长硅-蓝宝石组合衬底由厚度为0.3～0.7μm，折射率为3.32～3.52的硅膜和厚度为499.3～499.7μm，折射率为1.63～1.83的蓝宝石薄膜组成。

优选地，所述长带石墨烯纳米条的宽度为6.8～7.2μm。